無(wú)人機(jī)光學(xué)結(jié)冰探測(cè)器和結(jié)冰傳感器

通用航空飛機(jī)尾部結(jié)冰的反常之處在于，飛行員坐著向前看，但飛機(jī)的尾翼在尾部，從駕駛艙是看不到的。飛行中的通用航空飛機(jī)的尾翼上有冰的一個(gè)跡象是當(dāng)控制裝置變得“糊狀”時(shí)。這是一個(gè)觸覺(jué)上的線索，但當(dāng)沒(méi)有人用手操縱控制裝置時(shí)，這對(duì)無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。

無(wú)人機(jī)可以在很高的高度飛行，并且可以長(zhǎng)時(shí)間飛行。但是為了到達(dá)那里，他們必須穿越20000英尺以下危險(xiǎn)的冰層形成區(qū)；那里是冰形成的地方。在這個(gè)高度以上，一般來(lái)說(shuō)太冷了，機(jī)身上不會(huì)結(jié)冰。因?yàn)槲覀兇髿獾臏囟认陆德适敲?000英尺-3.5華氏度，空氣中的水分子可能已經(jīng)處于固態(tài)，它們只是反彈。當(dāng)液態(tài)水分子（云）撞擊機(jī)身并凍結(jié)在原地時(shí)，這就是危險(xiǎn)所在。
后來(lái)在機(jī)身較厚的構(gòu)件（擋風(fēng)玻璃和機(jī)翼）上形成冰。這是因?yàn)檩^厚的橫截面構(gòu)件會(huì)壓縮更多的水分子，并且其累積的沖壓空氣加熱效應(yīng)比較薄橫截面構(gòu)件（尾翼的水平穩(wěn)定器和方向舵）更大。較少的壓縮加熱意味著尾翼保持較冷，并且在機(jī)翼結(jié)冰之前提前結(jié)冰。
圖1。這種商用的、現(xiàn)成的、飛行中的結(jié)冰傳感器監(jiān)測(cè)與探測(cè)器光學(xué)表面接觸的任何物質(zhì)的光學(xué)特性，無(wú)論是空氣（無(wú)冰），還是水冰（冰警報(bào)）。周圍的風(fēng)把積水吹走了，但冰卻粘住了。探測(cè)器由不導(dǎo)電的delrin和丙烯酸塑料制成，電磁兼容其主機(jī)的無(wú)線電環(huán)境，并且可以安裝在無(wú)線電天線附近。

所以飛機(jī)尾部結(jié)冰的反常性在于，飛機(jī)尾部結(jié)冰的可能性比機(jī)翼上更大；尾翼看不見(jiàn)，冰對(duì)水平安定面的有害影響可能大于機(jī)翼上的冰，尤其是在著陸時(shí)。機(jī)翼前緣和上表面的冰已經(jīng)夠糟糕的了。它破壞了升力，它的重量（水的90%）不僅給動(dòng)力裝置增加了負(fù)擔(dān)，而且大多位于重心的前方，使機(jī)頭向下指向地面。在著陸時(shí)，冰對(duì)水平安定面的影響肯定比機(jī)翼上的影響要差。飛機(jī)的水平安定面實(shí)際上是一個(gè)小機(jī)翼，倒置安裝。它產(chǎn)生向下的“升力”，迫使尾巴向下，鼻子向上。如果水平安定面在著陸時(shí)失速，機(jī)頭可能會(huì)突然猛烈地俯沖下來(lái)。飛機(jī)在著陸時(shí)結(jié)冰引起的失速非常糟糕，因?yàn)榭赡軟](méi)有足夠的高度來(lái)恢復(fù)。

飛行中的態(tài)勢(shì)感知在無(wú)人機(jī)中甚至比在有人駕駛的飛機(jī)中更為關(guān)鍵，因?yàn)闆](méi)有對(duì)飛行員的觸覺(jué)反饋。

圖2。在美國(guó)航天局格倫結(jié)冰研究隧道進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目證明傳感器符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)SAE AS 5498?5.2.1.1.1飛行結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)的*低運(yùn)行性能。也在SAE AIR 4367?4.11中列出。（注意左前景中的美國(guó)宇航局皮托管，用于調(diào)整風(fēng)洞結(jié)冰攻角的旋轉(zhuǎn)甲板）。

光學(xué)結(jié)冰探測(cè)器和結(jié)冰傳感器特別適用于無(wú)人機(jī)，因?yàn)樗鼈凅w積小、重量輕、靈敏度高，而且它們的探頭可以完全由非導(dǎo)電塑料制成。

現(xiàn)代無(wú)人機(jī)被用作空中平臺(tái)，用于監(jiān)視、繪圖、通信、消防、農(nóng)業(yè)、搜索與救援以及其他無(wú)線電密集型應(yīng)用。與傳統(tǒng)的通用航空飛機(jī)相比，現(xiàn)代無(wú)人機(jī)往往體積更小、重量更輕，發(fā)動(dòng)機(jī)功率更低，能源預(yù)算更低，并配有GPS和其他無(wú)線電設(shè)備。
正如任何其他無(wú)線電天線一樣，無(wú)人機(jī)上的發(fā)射和接收天線需要一個(gè)肘部空間，以便正確地傳播和接收電磁信號(hào)，而不會(huì)受到附近導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的干擾，這些結(jié)構(gòu)可能會(huì)扭曲和損壞其脆弱的、低電平的衛(wèi)星和地面無(wú)線電信號(hào)。
小型無(wú)人機(jī)上結(jié)冰傳感器探頭的有限表面積會(huì)使任何類型的金屬冰傳感器相對(duì)于飛機(jī)敏感無(wú)線電天線的定位和安裝復(fù)雜化。為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)代航空結(jié)冰傳感器的外部傳感探頭采用對(duì)無(wú)線電信號(hào)透明的不導(dǎo)電塑料制成，對(duì)主機(jī)無(wú)人機(jī)無(wú)無(wú)線電干擾問(wèn)題。

現(xiàn)代光學(xué)結(jié)冰探測(cè)器和結(jié)冰傳感器通常由一個(gè)帶氣隙的塑料探針、電路板、外殼和電纜組成。探測(cè)器是一個(gè)delrin塑料懸臂梁，在機(jī)翼下方有兩個(gè)光學(xué)窗口和一個(gè)反射墻，向外進(jìn)入氣流。在運(yùn)行中，光學(xué)冰傳感器檢測(cè)液態(tài)水和固體冰之間的水的相變。飛行中的冰分子直接在探測(cè)器的光學(xué)表面形成，從而產(chǎn)生*大可能的靈敏度。
圖4?，F(xiàn)代光學(xué)冰傳感器探頭上的飽和冰。
接口板產(chǎn)生并接收光傳感器激勵(lì)信號(hào)。光學(xué)表面上*早形成的冰分子在分子水平上擾動(dòng)了傳感器的激發(fā)信號(hào)。該板解釋并輸出三條離散邏輯線上的傳感器信號(hào)變化，即無(wú)結(jié)冰（000）、結(jié)冰警報(bào)（001）、更多結(jié)冰（011）或飽和結(jié)冰（111）。探測(cè)器的內(nèi)側(cè)端與埋入外殼內(nèi)固體環(huán)氧樹(shù)脂中的小型接口板配合，完全浸入水中。一根輕便的藍(lán)色電纜將設(shè)備連接到主機(jī)系統(tǒng)。
光學(xué)冰傳感器體積小，重量輕，沒(méi)有兆赫時(shí)鐘，也沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件。它們從機(jī)翼內(nèi)部安裝，向下延伸，氣隙向前朝向氣流。整個(gè)裝置用5/16“-24螺紋和螺母固定到位，就像普通的室外空氣溫度計(jì)安裝在通用航空飛機(jī)上一樣。
光學(xué)結(jié)冰傳感器的高靈敏度歸功于其鉛筆薄的事實(shí)，因此產(chǎn)生了zui小的沖壓空氣加熱空氣對(duì)空氣中的水分子的影響。由于這個(gè)原因，它們?cè)跈C(jī)身、機(jī)翼和支柱等更胖、更暖和的機(jī)身構(gòu)件之前，會(huì)先吸引固體冰分子。在無(wú)冰條件下，環(huán)境風(fēng)會(huì)將液態(tài)水從傳感器光學(xué)元件中移除，但冰會(huì)附著在傳感器光學(xué)元件上并積累起來(lái)以備檢測(cè)。
美國(guó)宇航局格倫的結(jié)冰研究風(fēng)洞是世界上zui大的此類風(fēng)洞，位于俄亥俄州克利夫蘭，根據(jù)溫度、濕度、海拔高度、空氣速度、液態(tài)水含量、毛毛雨滴直徑和空氣壓力矩陣，對(duì)光學(xué)冰傳感器進(jìn)行了測(cè)試和記錄。測(cè)試風(fēng)洞矩陣和報(bào)告可根據(jù)要求提供。

在結(jié)冰區(qū)域的暴露光學(xué)表面上形成的冰可以是透明冰，也可以是霧凇冰，這取決于大氣變量。但光學(xué)透明的冰或不透明的霧凇冰對(duì)傳感器沒(méi)有影響。光學(xué)傳感器可以根據(jù)冰的形狀來(lái)報(bào)告冰的形成。從工廠運(yùn)來(lái)時(shí)，光學(xué)冰傳感器有一種形狀，但當(dāng)安裝在無(wú)人機(jī)上，在高空飛行并面對(duì)冰時(shí)，它們可以改變形狀。因?yàn)樗麄兪峭耆腆w和輕量化的傳感器相比振動(dòng)，光學(xué)結(jié)冰探測(cè)器和結(jié)冰傳感器是非常強(qiáng)大的沖擊和振動(dòng)。與振動(dòng)傳感器相比，它們產(chǎn)生的空氣阻力更小，并且為任何飛機(jī)增加了亮度。其重量輕的原因之一是它消除了電磁驅(qū)動(dòng)傳感器探頭所需的多匝細(xì)線磁線圈的重量。

不僅消除了銅的重量，還減輕了金屬框架的重量，以容納和安裝振動(dòng)組件。光學(xué)冰傳感器采用非常簡(jiǎn)單的直接傳感技術(shù)，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，制造和測(cè)試都很簡(jiǎn)單。制造成本遠(yuǎn)低于振動(dòng)傳感器。更重要的是，光學(xué)冰傳感器大大降低了任何飛機(jī)的電力預(yù)算。簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)到任何無(wú)人機(jī)，他們只運(yùn)行在一個(gè)單一的直流電壓在6到30伏之間。在標(biāo)準(zhǔn)的24伏直流電輸入下，它們的電流小于100毫安；你可以用一塊5瓦的太陽(yáng)能電池板給它供電。三條專用線的輸出邏輯電平為0伏至3.3伏直流電。
無(wú)安裝模板限制為光學(xué)傳感器提供了很大的靈活性。探頭可以從電子接口板上分離出來(lái)，方便地直接與無(wú)人機(jī)運(yùn)行燈和皮托管集成。因?yàn)樗鼈兪怯秒p組分環(huán)氧樹(shù)脂封裝的固體，所以它們是防爆的。因?yàn)橄到y(tǒng)集成非常簡(jiǎn)單，傳感器在出廠時(shí)只需將連接線剝?nèi)ゲ㈠冨a。MIL-SPEC連接器無(wú)要求。
現(xiàn)代冰傳感器作為商用現(xiàn)貨（COTS）產(chǎn)品提供。由于不幸的是，美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）沒(méi)有公布飛行結(jié)冰傳感器的TSO規(guī)范，航空界依賴于事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)SAE航空航天規(guī)范AS-5498，核心段落?5.2.1.1.1。光學(xué)結(jié)冰傳感器也列在SAE航空航天信息報(bào)告AIR-4367第?4.11段中。
隨著無(wú)人駕駛飛行器在整個(gè)航空界越來(lái)越受歡迎，現(xiàn)代冰傳感器對(duì)于幫助飛機(jī)操作員避免由冰引起的尾翼失速和其他與冰有關(guān)的危險(xiǎn)變得同樣重要?，F(xiàn)代光學(xué)冰傳感器取代了原始振動(dòng)傳感器的zui新出現(xiàn)，有助于提高技術(shù)水平。